基于Cortex-M3的無線電表采集器的研制

1.引言

如今，隨著信息化應用的發(fā)展，將無線通信技術、智能采集技術和自動控制技術綜合應用于現(xiàn)代企業(yè)信息化管理，已成為一種趨勢。

企業(yè)也迫切需要將各種有利于提高生產效率的信息因素收集匯總，用于分析與管理，而設備的消耗電能與運行時間正是十分重要的一種生產信息。本文所設計的電表采集器是生產采集系統(tǒng)的核心部件，通過電表上的通訊接口，實時地讀取表中的數(shù)據(jù)，并通過無線網絡將數(shù)據(jù)傳送到服務器中。這使得企業(yè)能夠及時準確地了解生產運行情況，在避免手工抄表中不及時和易出錯情況的同時，也為合理利用資源及有效維護設備提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。

2.采集系統(tǒng)的結構

近年來，電表的數(shù)字化程度越來越高，大多提供標準的通信總線結構，便于設計人員編程實現(xiàn)對電表數(shù)據(jù)的讀取。在生產采集系統(tǒng)中，分散于廠區(qū)各個配電間的電表采集器與多個電表通過通訊接口相連，構成點對多點的主從網絡，定時采集各表的電度值與電流值;在將整理后數(shù)據(jù)通過WIFI網絡上傳至WEB服務器的數(shù)據(jù)庫中存儲;終端客戶可通過網絡訪問和查詢服務器中的各個設備運行情況。

3.采集器的硬件設計

電表采集器以嵌入式Cortex-M3微控制器為核心，使用MAX485芯片與PZ162L型電表進行RS485總線形式通信，獲取電表內部寄存器的數(shù)據(jù);使用SD2405芯片獲取系統(tǒng)時鐘，以判斷發(fā)送的時間;使用WIFI232模塊連接WIFI網絡，將組幀數(shù)據(jù)傳送至服務器。電表采集器的硬件設計如圖1所示。

3.1 主要部件的選擇

電表采集器使用TI公司生產的32位Cortex-M3內核微控制器LM3S8962,存儲方式為哈佛結構，其獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線使得該芯片可以同時進行讀寫指令和數(shù)據(jù)的操作。

該芯片工作頻率可達50MHz,有256K的FlashRAM,3個UART串口和一個I2C總線接口。通用I/O口功能設計為：MAX485接UART0,即Rx端接PA0口，Tx端接PA1口，控制口接PF0口;WIFI模塊接UART1,即Rx端接PD2口，Tx端接PD3口，其電源控制口接PF1口;SD2405接I2C總線接口，即SDA端接PB2口，SCL端接PB3口;異常指示燈連PF2口;電度測試按鍵連PE0口，電流測試按鍵接PE1口。

WIFI模塊采用第三方提供的串口與WIFI數(shù)據(jù)包的雙向透明轉發(fā)模塊，型號為U S R -WIFI232-X,采集器將數(shù)據(jù)組幀以串行方式送至WIFI模塊，WIFI模塊則以網絡終端形式再將數(shù)據(jù)轉送至服務器。

系統(tǒng)時鐘芯片SD2405是一種內置晶振、充電電池、具有標準IIC接口的實時時鐘芯片，可通過5位地址尋址來讀寫片內32字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)(包括時間寄存器、報警寄存器、控制寄存器、通用SRAM寄存器)。

3.2 采集器與電表通信的實現(xiàn)

廠區(qū)使用的P Z 1 6 2 L型數(shù)字電表集成了RS485通信協(xié)議，因此設計增加了MAX485芯片來完成LM3S8962的RS485通信。微控制器采用UART0串口與MAX485傳輸數(shù)據(jù)，通信模式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，波特率為9600.而采集端的電表波特率也為9600,而表的A、B端與MAX485的A、B端相連，并共用地線。設計中使用通用接口PF0作為MAX485的控制口，置高電平時向總線發(fā)數(shù)據(jù)，置低電平時從總線接收數(shù)據(jù)。另外，由于每個采集器要采集多個電表，在對電表配置時，需保證使每個表的編號唯一，以免因目標沖突引起采集錯誤。

3.3 WIFI模塊的供電控制

在電表采集器中，WIFI模塊耗電量和發(fā)熱量都較大，且實際每天僅需一次連接無線網絡，故在硬件設計中加入了WIFI模塊的供電控制電路。該電路使用ST111電壓控制轉換芯片，可將電路電壓穩(wěn)定在WIFI模塊所需的3.3V上，而芯片的控制端則與通用接口PF1相連。

每天在需要傳送數(shù)據(jù)前，微控制器將PF1口置1,啟動ST111芯片使WIFI模塊上電，而在傳送數(shù)據(jù)結束后，將PF1口置清0,使WIFI模塊斷電。這種工作方式可以減少采集器的能耗與發(fā)熱，延長無線模塊的使用壽命。其供電控制電路如圖2所示。